Direct patterning processes for high-performance microsupercapacitors

QC 20230908

Abstract

Ökningen av miniatyriserade elektroniska komponenter som drivs av Internet of Things (IoT) har väckt ett intresse för icke-traditionella energilagringslösningar. För dessa applikationer är det av stor betydelse att reducerad storlek inte sker på bekostnad av effekt och energitäthet. Inom detta sammanhang har plana mikrosuperkondensatorer (MSC) dykt upp som starka kandidater för energilagring. Deras unika tvådimensionella struktur, snabba laddnings- och urladdningsmöjligheter, höga effekttäthet och varaktiga stabilitet gör dem mycket tilltalande som kraftenheter för integration på chip.

MSC-tillverkningens komplexa natur är dock fortfarande en stor utmaning. Konventionellt använda indirekta mönstringsprocesser, såsom fotolitografi, begränsar implementeringen av nya funktionella nanomaterial med hög kapacitet förladdningslagring. Ett resultat av det är att andra direkta mönstringsprocesser kan användas för att tillverka toppmoderna MSC:er. Nyligen genomförda studier har huvudsakligen fokuserat på att förbättra mönstringsgeometrin: minimera elektroddimensioner och minska elektrodgapet för att bibehålla hög upplösning av MSC:er. Dessa förbättringar gjordes dock på bekostnad av processens skalbarhetspotential och ökade graden av komplexitet i tillverkningsprocesserna. Denna avhandling syftar till att utveckla processflöden för tillverkning med betoning på enkelhet och mångsidighet, utan att offra möjligheten för storskalig tillverkning av MSC:er med hög prestanda.

Den första delen av denna avhandling beskriver implementeringen av en mycket skalbar process för bläckstråleutskrift för tillverkning av högpresterande MSC:er. Vanligtvis används bläckstråleutskrift för att avsätta tunna filmer av material. För att tillverka högpresterande MSC:er är dock tjockleken en avgörande parameter som kräver uppskalning. Det första arbetet i denna avhandling beskriver en tillverkningsprocess som utvecklades för att överkomma begränsningarna med bläckstråleutskrift för att öka tjockleken på elektrodmaterialet och därmed dess elektrokemiska prestanda. Resultatet av grafenbaserade fasta MSC:er fria från metallisk strömavtagare uppvisar hög ytkapacitans på 0,1 mF cm−2 och har potential för tillverkning på chip. I det andra arbetet används en enkel integration av bläckstråleutskriftmed elektroplätering för att tillverka flexibla hybrid-MSC:er baserade på grafen, Fe2O3 och MnO2 nanomaterial med ∼90% bibehållen kapacitans efter 10 000 laddningscykler.

I den andra delen av avhandlingen beskrivs en direkt laserskrivprocess baserad på en mängd elektrokemiskt högaktiva nanomaterial som inte är kompatibla med bläckstråleutskrift, som ett gångbart alternativ till tillverkning av plana MSC. I det tredje, fjärde och femte arbetet utvecklades metoder med bindemedelsfria bläckformulae för att tillverka sammansatta nanomaterialfilmer baserade på grafen, grafenoxid, kolnanotuber och polianilin. Effektiv mönstring av dessa filmer kunde åstadkommas med hjälp av laser, vilket lyfter fram enkelheten i de utvecklade tillverkningsprocesserna för MSC:er med hög ytkapacitans på 172 mF cm−2. Dessutom möjliggjorde tillverkningen av MSC:er som kan arbeta i ett brett temperaturområde på 25 till 250 °C.

Sammanfattningsvis omformar denna avhandling MSC-tillverkningsprocessen genom att beakta MSC-prestanda, skalbarhet och anpassningsbarhet i processen mot nya funktionella nanomaterial. Dessa metoder förstärks ytterligare av innovativa bläckformuleringsstrategier som använder dessa material, vilket framhäver deras potentiella tillämpbarhet i nya energilagringsenheter.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-335732